論靜孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力

論靜孔隙水壓力與超靜孔隙水壓力

李廣信

土力學中的孔隙水壓力是一個很重要的概念，也可以說是土力學中的標志性概念。但似乎并沒有被清晰地結界定與理解。

孔隙水壓力應分為兩種還是三種，在不同的教材與專著中就有著不同的說法。有的確定為靜孔壓與超靜孔壓兩種；有的則分為靜、超靜和滲流孔隙水壓力。靜孔隙水壓力常常被定義為“在靜止的地下水位以下土中的水壓力”；超靜孔隙水壓力被定義為“飽和土體中一點的孔隙水中超過靜水壓力的那一部分”；滲流孔隙水壓力則為“在滲流場中的水壓力”。又有人認為除了“靜止的地下水位以下的孔壓”以外所都是超靜孔壓，所以將滲流孔壓也歸入超靜孔壓。

這些定義過于表觀、隨意，往往不適于復雜的情況。比如滲流孔壓，既有穩定滲流情況，又滲流固結情況，不可一概而論。

實際上，不管何種孔隙水壓力其本質都是相同的，都是通過土骨架中連通的孔隙水傳遞的壓力，它們都是一種孔隙水的勢能（壓力勢）的體現，都適用于有效應力原理。那為什么要區分靜與超靜孔隙水壓力呢，這似乎源自于太沙基的飽和土體的滲流固結理論。在這個理論中，由于外部因素在土體中產生了一種孔隙水壓力，在有排水條件時，它會消散，同時伴隨以土的體積變化，因而這種孔壓被稱之為“超靜孔隙水壓力”。

這樣，就應定義靜孔隙水壓力為：“不會引起土體體積變化的孔隙水壓力”；超靜孔隙水壓力是“土體有變化趨勢時而產生的孔隙水壓力”。  例如我們在一個土體上施加單向壓力p，如果土中沒有孔隙水，則它就會被壓縮，但如果土體是飽和、不排水的，孔隙水就會阻止土的壓縮，結果就產生了正的超靜孔壓u=p。但土體是有被壓縮的“趨勢”的。

這就把二者的主要區別界定了。因為超靜孔壓這一概念起源于滲流固結理論，它必將伴隨著土的固結變形。

超靜孔隙水壓力是由于外部作用或者邊界條件變化在土體中引起的，在有排水條件時，它將逐漸消散，并在消散過程中伴隨土體的體積變化。

那么再看滲流中的孔隙水壓力。穩定滲流場中土體中的孔隙水壓力應屬于靜孔隙水壓力?！白厝招邪巳f里”，在不斷自轉和公轉的地球上，我們仍然認為很多東西是靜止的，在穩定滲流場中的孔隙水壓力，不隨時間變化，這也是一種相對的靜止。所以可以定義為：靜孔隙水壓力包括：靜止的地下水以下土體中的孔隙水壓力和穩定滲流場土體中的孔隙水壓力。因為穩定滲流場孔壓不變，有效應力也不變，土體沒有體積變化的趨勢，也就沒有超靜孔壓。

超靜孔隙水壓力的形成原因是多種多樣的。最經常是由于外部荷載引起的；但是擾動與觸碰（如飽和松砂與極靈敏性土）、振動（如液化土）與循環荷載，土中地下水位的升降也都可以引起超靜孔壓，欠固結土的超靜孔壓是由于沉積時土體本身的自重引起的。所以說是由于“外部作用或者邊界條件變化”。

大范圍地下水位下降會引起大面積地面沉降，反之回灌可以使地面上升。所以地下水升降也會產生超靜孔隙水壓力。

圖1 地下水位的升降

圖1所示的是地下水位變化的情況。如果假設地下水的升降是瞬時發生的，當土的滲透系數很小時，在這一瞬時，土體的有效應力和體積都未發生變化。

(a) 水位驟降                                  

在圖1(a)中，深度z處的M處下降前的靜孔隙水壓力為，下降后，固結變形穩定時的孔隙水壓力從變為0，設其重度仍為，則有效應力增量。而在下降后的瞬時，靜孔隙水壓力為0。超靜孔隙水壓力等于降水前后有效應力之差，即，它會逐漸消散，同時土體被壓縮，地面發生沉降?？梢娤陆岛蟮乃矔r，這部分孔壓由靜孔壓轉變為超靜孔壓。

(b) 水位上升

在圖1(b)中， M處上升前的靜和超靜孔隙水壓力都為0，有效應力為，為天然重度；水位上升后，固結變形穩定時的靜孔隙水壓力為，超靜孔隙水壓力為0，有效應力為；而在水位上升z的瞬時，總應力，有效應力尚未變，仍為，總孔壓為二者之差：, 靜孔隙水壓力為，超靜孔隙水壓力為變形穩定后與水位上升前的有效應力與之差,也等于總孔壓與靜孔壓之差：，它是負值，其消散后使土體固結回彈。

如上所述，靜與超靜孔壓本質上是沒有區別的，有時似乎也難以區分，并且二者也會相互轉化。例如地下水位升降，穩定滲流邊界條件的變化變為不穩定滲流，都會使靜孔壓變為超靜抗壓。例如在不固結不排水三軸試驗中，一直不打開排水閥門，，試樣的體積也一直不變，這似乎又像是靜孔壓。所以定義超靜孔壓為“由土的體變趨勢引起的孔隙水壓力”  被橡皮膜所包裹的土試樣，在施加圍壓后，它有體積收縮的趨勢，但無法排水，也無法收縮，結果圍壓變成了超靜孔壓u，有效應力未變，這種體縮的趨勢未能變成事實。在不排水條件下施加偏差應力后，試樣如果有收縮的趨勢，會生成正的超靜孔隙水壓力；在有膨脹（剪脹）的趨勢時，會產生負的超靜孔隙水壓力。

有人問我為什么試樣體縮趨勢會引起正孔壓，體脹趨勢會引起負抗壓。你可以假設你的口腔就是試樣膜，如果你要用吸管喝飲料，你的口腔一定是有一個膨脹的趨勢，以使口內的壓力小于大氣壓（即負壓），大氣壓就把飲料壓進你的嘴里。如果你想把嘴里的水擠出去，則你要努力收縮口腔，形成正孔壓。

靜孔隙水壓力一般不會引起含水土體的失穩。靜止的地下水以下的土只是重度減小了，而具有穩定滲流的土體，既然已經存在穩定滲流，它就應是穩定的。

超靜孔隙水壓力則常常是事故與災害的禍首。在圖2(a)中，由于加載、振動或者應力循環，超靜孔壓不斷積累，降低了土的有效應力，使摩爾園向左移動，最終與包線相切而破壞。在圖(b)中，不排水三軸壓縮試驗產生的超靜孔壓，使試樣的有效應力路徑左移，造成了試樣的破壞。

圖2 超靜孔壓與土的強度

太沙基提出有效應力原理也主要是基于超靜孔隙水壓力。據說是有一次太沙基雨天趕路，不留神滑了一跤。他想到牛頓被蘋果砸了一下而發現了萬有引力的理論，而自己跌這一跤也要有所收獲。他坐在那里思考為什么在雨后的飽和黏土上快走會滑倒，而在干的黏土和飽和砂土上不會滑倒？結果發現鞋底很光滑，滑倒時地面的滑痕上有一層水膜?？磥硎堑孛娌荒芴峁┳銐虻哪Σ亮?；他于是認識到作用在飽和土體上的總應力，由作用在土粒骨架上的有效應力和作用在孔隙水上的孔隙水壓力兩部分組成。前者會產生摩擦力，提供人前進所需要的反力；后者可承擔壓力，但不能提供抗剪阻力。人踏在飽和黏土上的瞬時，總應力轉化為孔隙水上的壓力，可稱為超靜孔隙水壓力，而黏土滲透系數又小，快行一步時間內孔壓不會消散而轉化為有效應力，因而人快步行走就會滑倒?；厝ヒ院笏土⒓窗l表了著名的“有效應力原理”。

據說主持過撰修《永樂大典》的明朝第一才子謝縉，年青時在雨后也摔了一跤，引起一群看到的農夫哄堂大笑，于是他坐在那里吟詩一首曰：“春雨貴如油，如油滿街流，跌倒謝學士，喜作一群牛?！庇浀迷凇拔母铩睍r的五七干校，對貧下中農一律要稱“老師”。如果敢罵貧下中農是牛，是肯定要被批斗的。與太沙基相比，可以看到我國古代的文人的弱點。他們把心思用在吟詩上，而不去思考自然的規律。結果跌了一交，沒有收獲，還得罪了一群人。其實只要他認真觀察與思考，就會發現為什么一群農民都沒有跌倒呢？那是因為農民穿的是草鞋，草鞋很粗糙，有很大的孔隙與通道，超靜孔壓很快就消散了，摩擦力必然更大。如果這樣，以謝縉的聰明，也許比太沙基早500年就提出了有效應力原理。

在古代文人中，宋朝的沈括是很用心思考的，比如他理解月亮的形狀：“月本無光，猶銀丸，日耀之乃光耳。光之初生，日在其傍，故光側而所見才如勾?！痹谝磺Ф嗄昵?，能夠認為月光是陽光的反射，月如鉤是圓球的側面投影。不知這是不是最早的天體模型。

俗話說“三句話不離本行”，如果我們善于用土力學的概念去看待人、家庭、社會、國家與國際關系，則超靜孔隙水壓力有著更深刻和普遍的意義。

三國時期，杰出的知識分子是各路豪強爭奪的對象，而他們也都擇良木而棲，尋找有實力、有膽略和有發展前途的主子。但知識分子畢竟為儒家思想所浸潤熏陶，也要顧及“忠孝節義”等儒家的行為準則，社會和列強間也是如此。這樣就會看到那時的一些分裂的人格和行為矛盾的現象。譬如孫權給曹操去信勸曹“早正大位”，當時曹操早已大權在握，“挾天子以令諸侯天子”，稱帝已是唾手可得，但曹操見信后大笑“是兒欲使吾居爐火上耶”，就是看透了孫權要使他成為眾矢之的計謀，所以他到死也未敢稱帝。

當時魏國的司徒王朗隨軍出戰蜀國。在兩軍陣前他自信滿滿地揚言“老夫自出，只用一席話，管教諸葛亮拱手而降?！碑敃r的曹魏已經篡奪了西漢而自稱帝，可是王朗竟把“識時務者為俊杰”這樣的私房話拿到明面上來勸降諸葛亮：“以禮來降，不失封侯之位”。只講功利，忘了禮儀，結果被諸葛亮抓住了小辮子。諸葛首先指出王郎在西漢時“舉孝廉入仕”，是漢朝的“大老元臣”；卻依附曹魏“同謀篡位，天地不容，天下之人，愿食汝肉”；隨后打出了劉備是漢室中山靖王之后的王牌，自己躋身正統，匡扶炎漢，征討逆賊，使自己處于道德的制高點上。最后在兩軍陣前痛罵“皓首匹夫，蒼髯老賊”。結果這位長期位列三公，已經76歲的老臣羞愧憤怒，“氣滿胸膛，大叫一聲，撞死于馬下”。這是由于孔壓升高導致血壓升高，中風而死了。

史書上講諸葛亮“氣死周瑜，罵死王郎”，他會把周瑜氣得發昏吐血，連叫數聲“既生瑜，何生亮？”而亡，可見是將其孔壓升高到了極點。

可是所謂“強中自有強中手”，在祁山諸葛打敗司馬懿，司馬閉關不出，諸葛亮派人送去了“巾幗婦人之衣”，信中寫道“窟守兔巢，謹避刀箭，與婦人又何異哉”，如果是魯莽之徒必將會勃然大怒，孔壓升高，出來一決雌雄。但老奸巨滑的司馬懿佯笑曰“孔明視我為婦人耶”，收下了女人衣裳，并重賞來使。諸葛亮升孔壓的計謀失敗，很是郁悶，結果自己病死在五丈原。

最近我重讀《三國演義》，發現一部三國，是一部管控超靜孔壓的史書。關羽敗走麥城，張飛被部下暗殺，劉備被火燒連營，都是沒有控制住驕氣、怒氣，孔壓上升，干了傻事，而三國人物中控制孔壓最好的不是諸葛亮而是司馬懿，魏帝曹睿死后，曹爽大權在握，司馬閉門不出，對曹爽派來的探聽消息的人裝聾、裝傻、裝病，哽咽著講“吾今衰老病篤，死在旦夕矣” 。后來采取突然襲擊，奪取了曹魏的政權，三國歸晉，一部三國也就結束了，司馬笑到了最后?？磥硪粋€合格的軍事家、政治家也應是一個優秀的土力學專家。

春秋時，齊國的晏嬰也是制造孔壓的能手?！岸覛⑷俊保河脙蓚€桃子，巧妙地布局，利用魯莽之徒的脾氣和義氣，就殺死了三個驕橫的武士。

《西游記》中的豬八戒入贅在高老莊，其實夫妻感情不錯，又能勞動：“耕田耙地不用牛具，收割田禾，不用刀杖”?？墒窃栏妇褪强床簧希骸笆沉坑执?，一頓要吃三五斗米飯”，要孫悟空“除了根”，可見入贅女婿難當。有一個案例，有一家招贅了一個上門女婿，人話不多，也很老實?？墒侨叶伎床簧纤?，妻子嫌他沒出息，沒能耐，并常常當眾羞辱他，后來這個男人突然爆發，殺妻滅門。沉默的山崗，變成奔騰翻滾沖決一切的泥石流，只需積累足夠大的超靜孔隙水壓力。刑法中有一“激情殺人”的說法，其實就是瞬時超靜孔壓無法抑制而爆發。水滸中楊志賣刀，沒毛大蟲牛二非要驗證寶刀的“殺人不沾血”，殺雞也不行，這個無賴伸出脖子要楊志殺了他。由于丟了生辰綱本來就很郁悶的楊志揮刀就殺了這個無賴。這也是自作自受，惹起好漢的超靜孔壓而丟命的例子。其實在人際關系，在家庭與社會中，寬容、忍讓、尊重、溫柔、道歉與表揚都是消散與化解超靜孔壓的有效途徑。

在抗戰勝利后的一個階段，人民普遍將國民黨和蔣介石視為“正統”。1945年9月3日，蔣介石為紀念抗戰勝利而巡視重慶市街，在當日的日記中，他這樣寫道：“沿途民眾其發乎內心之一種情緒，對余所表示敬慕愛戴之精神，狂歡熱烈，實非筆墨所能形容?！惫烙嬊闆r和“文化大革命”時，紅衛兵對毛的崇拜相似。 1945年抗日戰爭勝利，那時應該是中國國民黨和蔣介石威望最高的時期，中國進人聯合國“五強”，蔣介石的聲望達到頂點，如果用一句中國成語來說就是——“如日中天”。民眾盼望打敗日寇以后，能夠安居樂業，建設富強的國家。

可是抗戰勝利后，國民黨的接收大員從重慶紛紛到南京、上海等“敵占區”，搞“五子登科”，分別搶：房子、車子、條子（金條）、票子（鈔票）、婊子（女人）。當時有一首民謠：“想中央，盼中央、中央來了更遭殃?！痹谶@種系統性腐敗，普遍貪污的情況下，國民黨迅速喪失了民心。首先是農民，蔣介石也曾提出來要實行“耕者有其田”，要在收復區學習共產黨的做法，可是地主們就群起反對。然后是民族資產階級，抗戰勝利之后發展起來的外國資本和官僚資本，使中國民族企業被擠壓無法生存。被豪門把持著在的官僚資本，既得利益集團壟斷了經濟和資源。普通的市民與百姓受到欺壓與盤剝：中華民國萬稅，惡性通貨膨脹。1948年上海的物價指數已漲到戰前的三百萬倍，法幣已如廢紙。知識分子和青年學生對蔣介石的態度也經歷了一個從擁護到不滿的變化過程。隨著經濟狀況惡化及國民黨官僚腐敗的越演越烈，在各高校中，左傾思想逐漸傳播，輿論普遍憎惡國民黨貪污腐敗。

國民黨蔣介石的聲望從1945年的如日中天，到1949年狼狽地逃竄到臺灣只經過4年。其根本原因就是社會、民眾中的超靜孔隙水壓力迅速積累，民怨沸騰，使圖2正的摩爾園最后與強度包線相切，于是“黨國”無可挽救地潰敗了。

現在我們強調“和諧”，就是要社會中不要產生過大的孔壓。一個具有系統性腐敗的專制社會，必定會產生很大的貧富差距，法制也很難完善。在人群中集聚起的憤怨的爆發是很可怕的。消散社會的超靜孔壓就要有“出氣筒”，要有必要的機制，靠鎮壓，靠維穩，靠控制、遣送、羈押上訪人員就像關閉三軸試驗中的排水閥門一樣，只會是超靜孔壓升高。前蘇聯的解體也是一種消散蘇共多年統治下孔壓的方式，但沒有發生種族沖突，沒有軍隊武裝鎮壓群眾，也沒有發展為內戰還是萬幸的。蘇聯解體以后的后冷戰時代，一個突出的特點就是民族主義、種族主義和教派沖突的加劇，其中孔隙水壓力集聚與增長。這有著深厚的歷史根源：一些強勢集權統治的解體，使外部約束解除；大國集團的利益驅使；統治者用民族主義轉移國內矛盾；政客們的蠱惑等是重要原因。國家間也應處理好孔壓的消散問題，在美國的縱容下，日本右派政客們不反省，不道歉，使日中、日韓間孔壓在不斷積累；由于擊落俄國戰機而發生的俄土間的孔壓也有待釋放，而不是爆發。一個好的政治家就是會不斷地平衡、化解與消散社會與國家間的超靜孔壓。人類如果不善于化解超靜孔隙水壓力，輕者會毀滅自己，重者會毀滅人類。